발간 현황

마이크로 반응기는 일반적으로 ml/h∼l/h 의 유량으로 운영되며, 혼합되는 유로의 특성 길이가 짧기 때문에 낮은 레이놀즈 수를 가지며 확산에 의한 혼합이 지배적이다. 확산에 의한 혼합은 혼합 효율이 매우 낮기 때문에 혼합을 촉진하기 위한 다양한 방법들이 제시되고 있다.

이 연구에서는 반응기의 혼합 성능을 향상시키기 위해 다수의 입구 채널을 이용한 다적층(multilamination) 방식과 대류 혼합 방식을 이용 하였다[10]. 다적층 방식이란 다수의 공급 채널에서 엇갈리게 두 유체를 공급한 후 이들을 하나의 채널로 수축시켜 유체의 확산 면적을 증가시키는 방법이다. 대류 혼합 방식은 유체가 흐르는 채널을 수축-확장하여 와류를 발생시켜 혼합 효율을 향상시키는 방법이다. Fig. 3과 같이 마이크로 채널은 2 × 4 의 공급 채널을 가지며, 8개의 재순환 공간을 가지고 있다. 마이크로 채널의 폭은 150 ㎛이며, 높이는 500 ㎛, 수력 지름은 230 ㎛이다.

Fig. 3 
Schematic of microchannel shape.

제안한 마이크로 반응기의 성능을 검증하기 위하여 수치 해석을 통한 혼합 성능을 검증하였다. 반응기 내부의 유동장을 계산하기 위하여 질량 보존식과 운동량 보존식을 계산하였으며, 혼합 성능 확인하기 위하여 종 보존 방정식을 계산하였다. 해석은 상용 프로그램인 Fluent를 사용하였다. 혼합 성능은 Eq. 1과 같은 식을 이용하여 계산하였다[10].

이 식에서 η_N는 계산된 혼합 효율이고, c_i는 i번째 요소의 질량 분율이며, A_i는 i번째 요소의 면적이고, A는 혼합 성능을 평가하는 단면의 면적이다. 계산은 연료 물성으로는 Table 1과 같이 테트라글라임과 피리딘에 점화제가 각각 0%와 5% 추가된 조건들을 사용하였으며, 산화제 물성으로는 Table 2와 같이 30% 농도의 과산화수소 물성을 사용하였다. 유량은 연료와 산화제 각각 2 ml/min으로 하였다.

Fig. 4는 피리딘에 점화제가 5% 들어간 경우의 계산 결과이다. 다적층으로 유입된 연료와 산화제가 재순환 공간들을 지나며 혼합이 되는 것을 확인할 수 있다. 테트라글라임에 점화제를 혼합하지 않은 경우 레이놀즈 수는 74이고, 혼합 효율은 84%였으며, 점화제가 5% 혼합된 경우 레이놀즈 수는 20이고, 혼합 효율 70%로 계산되었다. 피리딘에 점화제를 혼합하지 않은 경우 레이놀즈 수는 326이고, 혼합 효율은 92%였으며, 점화제가 5% 혼합된 경우 레이놀즈 수는 155이고, 혼합 효율은 89%로 계산되었다. 모든 계산 결과에서 혼합 효율 70% 이상의 높은 혼합 효율을 가짐을 확인할 수 있었으며, 접촉점화 추진제의 비점화 실험에 적용할 수 있을 것이라 판단하였다.

Fig. 4 
Mixing efficiency results of fuel mixed with pyridine and NaBH₄ 5%.

마이크로 반응기의 재료로는 내화학성이 우수한 감광 유리(photosensitive glass)를 선택하였다. 감광 유리는 비결정 구조를 가지기 때문에 등방성 식각이 되는 성질을 가지고 있다. 하지만 감광 유리를 UV에 노광하게 되면 내부에 은 원자가 형성되어 고 종횡비를 갖는 이방성 식각이 가능하게 된다[11]. 이러한 기법을 이용하여 고 종횡비를 가지는 정밀한 마이크로 구조체를 가공하였다. Fig. 5는 감광 유리의 공정도이며 자세한 공정 순서는 다음과 같다. 우선 쿼츠 웨이퍼에 크롬 마스크를 제작한 후 (a), 감광 유리를 310 nm 파장의 UV에 노광을 한다. 이 때, 노광 에너지는 2.5 J/cm²을 사용하였으며, UV에 노광된 감광 유리는 내부에 은 원자가 형성되게 된다(b). 노광 공정 후, 감광 유리를 585℃에서 열처리하게 되면 은 원자 주위로 결정화가 이뤄지며 유리-세라믹으로 물성이 변하게 된다(c). 이와 같은 공정을 거친 후 감광 유리를 불산 용액에 식각하게 되면 결정화가 이뤄진 부분으로 비등방성 식각이 이뤄지게 되어, 원하는 마이크로 구조체를 만들 수 있게 된다(d)[10,12]. 마지막으로 각각 제작된 마이크로 구조체를 열 접합하여 마이크로 반응기를 제작한다(e). Fig. 6은 제작된 재순환 마이크로 반응기이다.

Fig. 5 
Manufacturing process of micro reactor (a) Cr pattering on Quartz wafer, (b) UV exposure, (c) Heat treatment, (d) Anisotropic etchin HF:DI=1:10), (e) Thermal bonding.

Fig. 6 
Fabricated microreactor.

마이크로 반응기를 이용하여 추진제의 화학반응을 정량적으로 계측하기 위해 Fig. 7과 같이 비점화 실험 장치를 구성하였다. 실험 장치는 실린지 펌프(Chemyx lnc, Fusion 400), 마이크로 반응기, 열전대(K-Type), 데이터로거(GRAPH TEC lnc, GL-240)로 구성되며 입구에 연료와 산화제를 주입시켜 마이크로 채널에서 화학반응을 유도하였다. 실린지 펌프는 연료와 산화제의 유동제어를 용이하게 하며, 마이크로 반응기 입구에 추진제를 주입하는 역할을 한다. 연료와 산화제가 마이크로 반응기 내부에서 반응하여 생긴생성물은 출구로 나오며, 생성물의 온도를 열전대와 데이터로거가 측정, 기록한다. 실험에 사용된 추진제는 연료와 산화제 각각 2 ml/min의 유량으로 공급하였다. 연료는 테트라글라임과 피리딘에 점화제가 각각 0%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5% 추가된 조건들을 사용하였으며, 산화제는 30% 농도의 과산화수소를 사용하였다.

Fig. 7 
Schematic drawing of the microreactor test.

Fig. 8은 점화제 혼합 농도에 따른 마이크로 반응기 실험 결과이다. 온도의 측정은 온도가 정상상태에 도달 후 측정하였다. 실험 연료 모두 점화제의 혼합 농도가 증가할수록 생성물의 온도가 선형적으로 증가하다가 최고 반응열에 도달하였다. 테트라글라임은 점화제 혼합 농도 1 wt.% 당 생성물의 온도가 약 20℃씩 증가하였으며 3 wt.%부터는 약 100℃에 도달하였다. 피리딘의 경우, 점화제 혼합 농도 1 wt.% 당 생성물의 온도가 약 15℃씩 증가하였으며 4 wt.%부터는 약 96℃에 도달하였다.

Fig. 8 
Results of the microreactor test with NaBH₄ concentration in Fuel.

생성물의 온도가 높다는 것은 화학반응이 보다 활발하게 발생한 것을 의미하며, 그로 인해 점화가능성이 높다고 판단할 수 있다. 반대로 생성물의 온도가 낮다는 것은 화학반응이 잘 발생하지 않는 조건이라는 것으로 점화가 되지 않을 것으로 판단할 수 있다. 이러한 점에서 테트라글라임은 점화제 3 wt.%부터, 피리딘은 점화제 4 wt.%부터 점화 가능할 것으로 예측할 수 있다.

마이크로 반응기 실험 결과로 예측되었던 점화 가능성을 확인하기 위해 액적 낙하 실험을 통해 점화 여부와 점화지연시간을 측정하였다.

액적 낙하 실험은 Fig. 9와 같이 초고속 카메라와 광 센서를 이용한 액적 낙하 실험 장치를 이용하였다[13]. 실험 장치는 액적의 낙하 조건을 제어하는 액적 낙하 시스템과 점화지연시간 계측 시스템으로 구성된다. 액적 낙하 시스템은 선형 액추에이터(RD-35T, Coolmuscle), 실린지, XYZ 스테이지로 구성되며, 선형 액추에이터에 전기 신호를 가해 실린지 내부에 있는 연료(또는 산화제) 액적을 XYZ 스테이지로 낙하시키는 방식이다. 점화지연시간을 측정하는 계측 시스템은532 nm 레이저, 광 센서와 오실로스코프로 구성된다. 532 nm 레이저로 연료(또는 산화제) 액적이 하부 있는 산화제(또는 연료) 액적과 접촉하는 신호를 계측하고, 광 센서를 통해 접촉점화 시 발생하는 특정 라디칼을 측정하였다. Fig. 10은 측정된 점화지연시간 데이터의 분석법을 나타낸 그림이다. PD(photodiode)는 레이저의 산란 신호를 관측할 수 있는 장치로 연료와 산화제 액적이 충돌하는 시간을 알 수 있다. 광전자증폭관(photomultiplier, PMT)은 OH 라디칼의 고유 파장인 308 nm를 감지할 수 있는 장치로 연료와 산화제의 화학반응에서 생성되는 OH 라디칼을 측정한다.

Fig. 9 
Configuration of the drop test apparatus[13].

Fig. 10 
Representative results of the drop test with optic sensors.

반응성 연료는 점화제 혼합 농도에 따라 점화여부가 달라진다. 이 실험에서는 점화제 혼합 비율에 따른 점화지연시간을 측정하여 점화 가능한 최소한의 혼합 비율을 확인하였다. 마이크로 반응기 실험과 달리 실제 점화를 유도해야하기 때문에 액적 낙하 실험에서는 90% 농도의 과산화수소를 산화제로 사용하였다.

Table 3은 실험 조건에 따른 액적 낙하 실험 결과이다. 90% 과산화수소 액적을 낙하시키고 6회 반복 실험을 수행하여 평균값과 표준편차를 나타내었다. 실험 연료 모두 점화제의 농도가 증가할수록 점화지연시간이 짧아지는 경향을 보였다. 테트라글라임은 점화제 혼합 농도 3 wt.%부터 점화가 가능하였으며, 피리딘의 경우 4 wt.%부터 점화가 가능하였다.

이는 마이크로 반응기 실험에서 최고 반응열에 도달하는 점화제의 농도와 유사한 경향성을 나타낸다. 테트라글라임은 점화제 농도 3 wt.%부터 생성물의 온도가 100℃에 도달하여 점화 가능할 것으로 예측되었고, 피리딘은 점화제 농도 4 wt.%부터 생성물의 온도가 96℃에 도달 하여 점화 가능할 것으로 예측되었다. 이러한 두 실험 결과를 통하여 새로운 접촉점화 추진제 평가에 있어 위험 요소를 최소화할 수 있는 방법으로 마이크로 반응기를 이용한 비점화 평가 방법을 확립하였다고 판단할 수 있다.